Nauki ścisłe [2022-09-07]

Zgodność naukowych światów

— Żaneta Kopczyńska

Fundamentalne badania prowadzone w laboratorium oraz praktyczna współpraca z kluczowymi instytucjami i firmami zajmującymi się technologiami kwantowymi – te dwa światy da się połączyć, o czym przekonuje praca prof. Piotra Kolenderskiego z Instytutu Fizyki UMK.

- Typowy i najpopularniejszy sposób finansowania nauki w naszym kraju wygląda tak, że badacz składa wniosek do agencji udzielającej granty naukowe i, jeśli ma szczęście, to dostaje dotację, prowadzi badania, a następnie rozlicza otrzymane dofinansowanie. Ja oprócz tego modelu działania stosuję jeszcze jeden, rzadziej praktykowany na naszym uniwersytecie – mówi dr hab. Piotr Kolenderski, prof. UMK z Katedry Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK. – Zawieram kontrakty z firmami i kluczowymi instytucjami zajmującymi się technologiami kwantowymi. Zysk z ich realizacji przeznaczam na badania podstawowe.

Obszar pierwszy: badania podstawowe

Prof. Piotr Kolenderski prowadzi badania bardzo fundamentalne; od kilku lat naukowo zajmuje się oddziaływaniem jednej cząstki światła z cząstką materii. Pojedynczy foton generowany w układzie optycznym kierowany jest na próbkę diamentową, która zawiera tak zwane centrum barwne. Centrum to jest defektem w strukturze krystalicznej diamentu, gdzie w miejsce dwóch sąsiadujących ze sobą atomów węgla wbudowany jest atom azotu. I to właśnie w nie zespół prof. Kolenderskiego uderza fotonem.

- Sprawdzamy w jaki sposób zostaje zaabsorbowany nasz foton. Wygląda to tak, że początkowo jest on zielony, następnie zostaje "uwięziony" w atomie, który po bardzo krótkim czasie zaczyna nam wyświecać już w kolorze czerwonym – tłumaczy prof. Piotr Kolenderski.

Jak sam przyznaje, badania te nie mają typowo praktycznego zastosowania.

Nie o to jednak przecież chodzi w badaniach podstawowych. Miałem przyjemność uczestniczenia w wykładach dwóch noblistów. Obaj stwierdzili jasno, że nie ma czegoś takiego jak badania stosowane. To badania fundamentalne po pewnym czasie dostarczają rozwiązań praktycznych problemów – mówi prof. Kolenderski. - W tej więc części swojej aktywności zawodowej staram się być "czystym naukowcem". Nie zastanawiam się nad aplikacjami i przyszłymi zastosowaniami moich badań, choć oczywiście z czasem pojawiają się pomysły, co można z rezultatami zrobić dalej.

Zespół prof. Kolenderskiego stara się m.in. wypracować konkretną metodę, w której da się kontrolować fotony i ich własności.

- Udało nam się "strzelić" fotonem w pojedyncze azotowe centrum barwne. Jest to eksperyment, w którym weryfikowaliśmy, czy jest to możliwe. W dalszej kolejności podejmiemy próby z użyciem dwóch, trzech i więcej fotonów - w takiej konfiguracji właściwie nikt inny tego nie robi na świecie – tłumaczy prof. Kolenderski. - To pozwoli na zaobserwowanie efektów czysto kwantowych.

A to już z kolei można starać się przełożyć na praktykę. Przykładem jest użycie laserów, które wykorzystuje się np. w medycynie do badań tkanek, żeby dokładnie przyjrzeć się ich strukturze.

- Chodzi oczywiście o to, by jak najlepiej poznać strukturę tkanki. Gdybyśmy jednak chcieli zwiększyć rozdzielczość takiego pomiaru, to można wykorzystać zjawisko absorpcji dwu-fotonowej, co wymaga dużych natężeń lasera. Niestety w takim przypadku duża moc lasera może najzwyczajniej w świecie spowodować spalenie badanego materiału, czyli np. interesującej nas tkanki. W związku z tym ważne jest jak najlepsze poznanie sposobów wytwarzania takiego światła, które będzie w łatwy sposób absorbowane przez ośrodki materialne. Wówczas jest szansa na zastąpienie silnego lasera układem optycznym, który generuje odpowiednio przygotowane pojedyncze fotony – wyjaśnia prof. Kolenderski. - Najbardziej, jako naukowca, interesuje mnie określenie warunków, w których możliwe jest obserwowanie takich zjawisk.

Obszar drugi: współpraca z biznesem

Oprócz grantów na badania podstawowe, fundusze pochodzą też z realizowanych przez zespół prof. Kolenderskiego działań dla przedsiębiorstw związanych z technologiami kwantowymi. Naukowcy realizują m.in. kontrakt z Europejską Agencją Kosmiczną (ESA).

Moja grupa funkcjonuje właściwie trochę jak firma. Mam do dyspozycji pulę pieniędzy, którą mogę przeznaczyć m.in. na zatrudnienie ludzi i zakup sprzętu, który z kolei wykorzystywany jest do badań podstawowych – wyjaśnia prof. Kolenderski. - W tym przypadku, w odróżnieniu od klasycznych grantów, nie jestem ograniczony deklaracjami zapisanymi we wniosku.

Nawet struktura grupy badawczej prof. Kolenderskiego przypomina w pewnym stopniu tę korporacyjną. Należy do niej pięcioro doktorów, sześcioro doktorantów oraz dwie kierowniczki projektów.

- Jestem tym, który spina wszystko merytorycznie, kontaktuję się zarówno z partnerami gospodarczymi, jak i naukowymi. Znam ich kompetencje, oni zaś znają moje, informujemy się o pomysłach, otwartych przetargach, aktualnych naborach na granty, a następnie dyskutujemy szczegóły współpracy – tłumaczy prof. Kolenderski. - Informacjami wymieniamy się także z innymi firmami i jeśli tylko się da, to budujemy konsorcja, a następnie razem startujemy w przetargach lub konkursach na granty. Tyczy się to również współpracy z innymi grupami badawczymi – tłumaczy prof. Kolenderski. - Bardzo dobrą platformą do tego jest powołany niedawno Klaster Q, skupiajacy podmioty zainteresowane technologiami kwantowymi.

Konsorcja to bardzo dobry pomysł, ponieważ dzisiaj firmy zatrudniają specjalistów w bardzo wąskich dziedzinach, same zresztą też są wąsko wyspecjalizowane. Dlatego nie jest właściwie możliwe realizowanie samodzielnie danego projektu, stąd potrzeba współpracy z firmami czy uczelnianymi grupami badawczymi.

Projekty aplikacyjne to druga połowa mojej działalności. Osiągnąłem pewną równowagę między prowadzeniem badań podstawowych a projektami realizowanymi dla podmiotów zewnętrznych – mówi prof. Kolenderski. – Właściwie można powiedzieć, że choć są to zupełnie odrębne pola działań, to idealnie się ze sobą uzupełniają w tym przypadku.

Biznesy z Europejską Agencją Kosmiczną

Na UMK realizowanych było (bądź jest) kilka ważnych projektów dla ESA. Do tej pory nasz uniwersytet występował w roli podwykonawcy innej firmy.

- Zwykle ESA powierza do realizacji projekt konsorcjum, które wygrało przetarg. Najczęściej liderem konsorcjum jest firma, a uniwersytety działają w roli podwykonawców. Do tej pory UMK był właśnie jednym z takich podwykonawców, nie dostawał więc zlecenia bezpośrednio od ESA – tłumaczy fizyk. - Nam udało się po raz pierwszy być głównym wykonawcą - liderem, więc teraz my dobraliśmy sobie podmioty, z którymi współpracujemy i które wykonują dla nas część pracy – to dwie firmy: jedna z Polski i druga z Niemiec.

Grupa prof. Kolenderskiego zobowiązała się do opracowania metody pomiaru odległości między stacją naziemną a satelitą z wykorzystaniem istniejącego łącza optycznego.

Większość satelit posiada łącza radiowe. Przepustowość łącza jest bardzo mała - tłumaczy prof. Kolenderski. - Tutaj fale radiowe chcemy zamienić na światło, ponieważ wówczas przepustowość wzrośnie nam o kilka rzędów wielkości. Różnica prędkości jest porównywalna do tej gdy internet mamy na kablu telefonicznym i światłowodzie.

Dlaczego to takie istotne? Chodzi np. o satelity obserwacyjne wykonujące ogromne liczby zdjęć, które należy jak najszybciej przesłać "na dół", czyli do stacji naziemnej. Rozwijane są więc optyczne modemy, aby zwiększyć szybkość transmisji danych.

Satelita okrąża Ziemię na wysokości ok. 500 km. Nad stacją naziemną jest widziany średnio przez około 10 min., zaś całą kulę ziemską potrafi okrążyć w około 1,5 godz. Naukowcy muszą dokładnie wiedzieć, gdzie w danym momencie się znajduje.

- To nie jest tak, że satelita cały czas porusza się na dokładnie takiej samej orbicie. Jego lot modyfikowany jest choćby przez to, że Ziemia nie jest idealną kulą, a ponadto mamy do czynienia ze szczątkową atmosferą, która zaburza orbitę. Trzeba mieć więc na uwadze poprawki do parametrów orbity – tłumaczy prof. Kolenderski.

Grupa dr Kolenderskiego opracowuje dla ESA technologię pomiaru odległości między satelitą a stacją naziemną właśnie w momencie optycznej transmisji danych, która zapewni dokładność pomiaru na poziomie 3 cm.

Zaszyfrowana wiadomość

To jednak nie wszystko – kolejne działanie, pośrednio także związane z tematem pomiarów między satelitami a stacjami, jest kryptografia kwantowa.

Czym ona jest?

Do komunikacji pomiędzy satelitą a stacją naziemną używa się światła laserowego. Prawdę mówiąc, ta technologia w swojej istocie niewiele różni się od tej, której używali marynarze na statkach jeszcze sto lat temu, czyli alfabetem Morse'a. Potocznie mówiąc, to takie miganie światłem, choć oczywiście bardziej wyszukane i skomplikowane i, co jasne, dużo, dużo szybsze – wyjaśnia prof. Kolenderski. – Jeśli możemy w odpowiedni sposób wysyłać takie impulsy, które zawierają tylko pojedyncze cząstki światła, czyli fotony, wówczas możemy zastosować metody kwantowe do wygenerowania klucza kryptograficznego.

Po skończonej transmisji mamy poufny ciąg zer i jedynek – znany wyłącznie na stacji naziemnej oraz na satelicie. Klucz ten można wykorzystać do zaszyfrowania informacji i wysłać ją komukolwiek chcemy. Jeśli i ta osoba będzie miała klucz, wówczas może odczytać wiadomość.

- To właśnie nazywamy kwantową dystrybucją klucza kryptograficznego. Polskie środowisko naukowe zajmuje się tym zagadnieniem naprawdę długo – mówi prof. Kolenderski. - Jesteśmy już na etapie wzmożonego zainteresowania ze strony biznesu. Teraz to biznes sam się do nas zgłasza i proponuje, byśmy komercjalizowali wyniki naszej pracy.

Kwantowa rewolucja

Od pierwszej rewolucji kwantowej minęły już dziesięciolecia. Dała nam ona m.in. tranzystory, lasery i zegary atomowe. Teraz stoimy na progu kolejnej.

Opanowanie podstawowych zjawisk kwantowych pociągnęło za sobą całe spektrum zmian. Dziś świat jest globalną wioską, a wszystko to m.in dzięki transformacji teleinformatycznej. Nie wiadomo, co dokładnie przyniesie przyszłość, ale wielu już czeka na komputery kwantowe, które pozwolą na przeprowadzanie niewyobrażalnych dla nas jeszcze obliczeń w o wiele krótszym czasie. To z pewnością pociągnie za sobą nowe możliwości a także zagrożenia. Spodziewać się możemy, że druga rewolucja odmieni nasze życie.

Nic więc dziwnego, że technologiami kwantowymi interesuje się obecnie wiele branż, są też spore fundusze na badania w tym zakresie. W naszym kraju również swoją działalność zainaugurował wspominany już klaster technologii kwantowej – Klaster Q.

W rewolucji kwantowej uczestniczymy już siłą rozpędu. Oczywiście nie dotyczy to tylko naukowców z UMK – grup badawczych zajmujących się technologiami kwantowymi jest w Polsce całkiem sporo – mówi prof. Kolenderski. - W Polsce mamy dużo możliwości, musimy tylko nauczyć się je wykorzystywać. Co mnie bardzo cieszy to to, że otoczenie gospodarcze coraz lepiej rozumie nad czym pracujemy i jakie mamy możliwości. I my naukowcy lepiej rozumiemy ich – że mają terminy, że pieniądze się muszą zgadzać, itp.

Naukowa wolność

- Przez długi czas zajmowaliśmy się optyką kwantową pojedynczych fotonów, a teraz jesteśmy w stanie stosować tę technologie jako narzędzie zarówno do badań podstawowych, jak i aplikacji - mówi prof. Kolenderski. - Jak widać, nie trzeba ograniczać się do jednego z tych światów, możemy działać w dwóch jednocześnie. Ponadto, jak się o tym przekonuje od paru lat, współpraca z biznesem otwiera wiele nowych możliwości badawczych. W takim podejściu do pracy naukowej widzę wiele plusów. Jednym z głównych jest samodzielność, samowystarczalność, a przede wszystkim naukowa wolność.